Pesquisadores do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), ligado ao Departamento de Energia dos Estados Unidos, propuseram uma mudança na sequência usada para tentar alcançar a ignição da fusão nuclear: aquecer o plasma antes de aumentar sua densidade. Segundo os cálculos da equipe, essa rota pode exigir significativamente menos energia do que a estratégia tradicional.
O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters e amplia o chamado critério de Lawson, uma referência matemática usada há décadas para definir as condições necessárias para que um plasma permaneça quente e denso durante tempo suficiente para sustentar a fusão sem aquecimento externo.
O critério tradicional indica as condições necessárias para a ignição, mas não aponta necessariamente o caminho mais eficiente para alcançá-las. Os físicos Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Menard incorporaram ao modelo quatro fatores adicionais que influenciam o desempenho do plasma e mapearam diferentes rotas até a reação autossustentada.
O caminho alternativo até a ignição
Em muitas propostas, a densidade do plasma é elevada primeiro e, depois, uma grande quantidade de energia é fornecida para atingir as condições de fusão. A análise do PPPL sugere que inverter essa ordem pode evitar o ponto de maior exigência energética.
Os pesquisadores identificaram uma região chamada “sela de Cordey”, uma passagem relativamente acessível na fronteira entre o plasma que ainda precisa de aquecimento externo e aquele capaz de sustentar as próprias reações de fusão. A localização dessa passagem depende de características como impurezas presentes no plasma e a intensidade dos campos magnéticos.
Para comparar as rotas, a equipe utilizou o indicador Q, que relaciona a potência produzida pela fusão à potência de aquecimento fornecida de fora. Um valor Q igual a 5, por exemplo, significa que as reações geram cinco vezes a energia entregue pelo sistema externo. Em um plasma idealizado, composto apenas por combustível de fusão, a sela de Cordey aparece próxima de Q=5.
Impurezas podem elevar a exigência
Um dos resultados destacados envolve o tungstênio, material resistente ao calor usado nas paredes internas de mais de uma dúzia de máquinas de fusão em desenvolvimento. Os cálculos indicam que uma concentração equivalente a uma parte em 10 mil no plasma pode aproximadamente dobrar a pressão necessária para alcançar a ignição.
Quando a análise foi ampliada de duas para três dimensões, a pressão exigida poderia ultrapassar o limite de estabilidade do plasma. A equipe também concluiu que perdas de energia, embora dificultem a chegada à ignição, podem ajudar a conter uma instabilidade conhecida como “fuga térmica”, na qual o aumento da temperatura acelera a fusão e gera ainda mais calor.
Entre as alternativas avaliadas estão revestimentos internos de lítio líquido, que poderiam reduzir a entrada de tungstênio e as perdas de calor, e o uso de combustível com spins alinhados, capaz de aumentar a taxa de reação.
A proposta, porém, ainda é teórica. Experimentos existentes não alcançaram as temperaturas associadas à sela de Cordey, e o grupo pretende continuar a investigação com simulações digitais. A estratégia de aquecer o plasma antes de elevar sua densidade ainda não foi demonstrada experimentalmente.
